Báo cáo đề tài thiết kế mạch dao động Colpiits với tần số dao động 5KHz

Một phần không thểthiếu trong hầu hết các sản phẩm điện tử là mạch dao động.Các mạch tạo dao động điều hòa thường được dùng trong các hệ thống thông tin, trong các máy đo, máy kiểm tra,

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay khi cuộc sống con người càng phát triển, các ứngdụng nhằm đáp ứng các nhu cầu của đời sống cũng càng ngàycàng phong phú Mức sống càng nâng cao, nhu cầu càng đượcthỏa mãn nhiều hơn Con người cũng luôn tìm cách làm mìnhthư giãn hơn với các sản phẩm của công nghệ Các thiết bị điện

tử đã và đang có chổ đứng quang trọng trong đời sống, nó đemđến những phương tiện giải trí cơ bản hay những sản phẩm đanăng, đa dịch vụ, tương tác với con người Một phần không thểthiếu trong hầu hết các sản phẩm điện tử là mạch dao động.Các mạch tạo dao động điều hòa thường được dùng trong các

hệ thống thông tin, trong các máy đo, máy kiểm tra, trong cácthiết bị y tế, v.v

Đề tài này nhằm nghiên cứu, trình bày các vấn đề tạo daođộng, điều kiện và đặc điểm mạch tạo dao động, ổn định biên

độ tần và tần số dao động, phương pháp tính toán mạch daođộng ba điểm điện dung Trình bày, mô phỏng mạch tạo daođộng ba điểm điện dung (colpitts) bằng phần mềm Proteus

Đề tài chia làm ba chương:

 Chương I: MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU, PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN

ĐỀ TÀI

 Chương II: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ MẠCH DAO ĐỘNG

 Chương III: MẠCH DAO ĐỘNG COLPITTS

 Chương IV: THIẾT KẾ MẠCH DAO ĐỘNG COLPITTS VỚI TẦN SỐDAO ĐỘNG 5KHZ

Trong quá trình làm chuyên đề còn nhiều sai sót rất mong sựđóng góp ý kiến của các bạn và thầy cô giáo để bài báo cáohoàn chỉnh hơn Nhóm chân thành cảm ơn!

Bắc Ninh, ngày 27 tháng 9 năm 2016.

NỘI DUNG TÌM HIỂU CỦA CÁC THÀNH VIÊN TRONG NHÓM

1 Trần Văn Đức : Tìm hiểu nội dung Chương III: Mạch dao độngColpitts và soạn báo cáo

2 Lê Văn Lâm: Tìm hiểu nội dung Chương II: Lý thuyết chung vềmạch dao động

3 Nguyễn Thanh Hà: Tìm hiểu nội dung Chương I: Mục đích, yêucầu, phương pháp thực hiện đề tài

4 Phan Đã Trọng: Tìm hiểu nội dung Chương II: Lý thuyết chung

về mạch dao động

5 Phạm Viết Trường: Tìm hiểu nội dung Chương IV: Thiết kế mạch dao động Colppit dao động với tần số 5KHz và mô phỏng bằng Proteus

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG I: MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU, PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 4

1 Mục đích 4

2 Yêu cầu 4

3 Phương pháp thực hiện 4

CHƯƠNG II: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ MẠCH DAO ĐỘNG 6

1 Phân tích 6

2 Lập sơ đồ khối 6

2.1 Điều kiện dao động và đặc điểm của mạch tạo dao động 6

2.2 Ổn định biên độ dao động và tần số dao động 10

2.2.1 Ổn định biên độ dao động 10

2.2.2 Ổn định tần số dao động 11

2.3 Mạch dao động ba điểm 12

CHƯƠNG III: MẠCH DAO ĐỘNG COLPITTS 14

1 Khái niệm 14

2 Nguyên tắc thiết lập mạch tạo dao động ba điểm điện dung 14

3 Phương pháp tính toán mạch dao động 16

Chương IV: Thiết kế mạch dao động Colpitts với tấn số dao động 5KHz 19

1 Mạch tạo dao động Colpitts với tần số dao động 5KHz 19

1.1 Tính chọn linh kiện mạch dao động Colpits dung bộ khuếch đại thuật toán 19

1.2 Tính chọn linh kiện mạch dao động Colpits dùng BJT 21

2 Mô phỏng mạch dao động Colpits với tần số dao động 5kHz 23

CHƯƠNG I: MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU, PHƯƠNG PHÁP

THỰC HIỆN ĐỀ TÀI.

1 Mục đích.

- Khảo sát lại lý thuyết về mạch tạo dao động tạo sóng sintần số cao và thực hành lắp ráp các mạch điện tử căn bản.Qua đó giúp củng cố kiến thức về lý thuyết cũng như nângcao kỹ năng thực hành, tích lũy thêm kinh nghiệm cho bảnthân, khả năng làm việc nhóm để phục vụ cho quá trìnhhọc tập và công tác sau này

- Giúp học viên hiểu hơn về các mạch tạo dao động vànhững ứng dụng của nó trong thực tế cuộc sống

- Kết quả cuối cùng là thiết kế được mạch tạo dao độngColpits với tần số 5 KHz

2 Yêu cầu.

- Kiểm tra được kiến thức lý thuyết có đúng với thức tế haykhông

- Nắm bắt được cách vận hành, vận dụng kiến thức đã học,biết cách làm, cách thực hiện đề tài, chuyên đề mà giáoviên đã giao về cho nhóm thực hiện

- Sử dụng thành thạo công cụ thiết kế mạng, phần mềm môphỏng mạch điện Proteus

- Tính toán các thông số kỹ thuật theo yêu cầu nội dụng của

đề tài

- Biết cách thiết kế một mạch tạo dao động nói chung vàmạch tạo dao động Colpits (mạch dao động ba điểm điệndung) nói riêng

- Sau khi thực hiện đề tài phải thực hiện được mạch môphỏng trên phần mềm proteus, xuất mạch in layout, phảinắm vững kiến thức về mạch điện tử

- Phải bố trí linh kiện cho hợp lý để các đường mạch không

bị giao nhau trong mạch in

- Hoàn chỉnh, hoàn thành bài báo cáo theo đúng yêu cầucủa giáo viên

- Biết cách tổ chức nhóm, phân công nhiệm vụ cho từngngười thực hiện để hoàn thành một bài báo cáo.

3 Phương pháp thực hiện.

Thực hành là cách tốt nhất để kiểm tra lại lý thuyết Ngàynay với sự hỗ trợ mạnh mẽ của các phần mềm mô phỏngtín hiệu và vẽ mạch in, việc khảo sát các mạch điện tử từcăn bản đến phức tạp được tiết kiệm hơn cả về thời gian

và chi phí Báo cáo này sẽ trình bày thiết kế mạch tạo daođộng 3 điểm điện dung Colpits với công cụ là phần mềm

mô phỏng Proteus

CHƯƠNG II: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ MẠCH DAO ĐỘNG.

1 Phân tích.

Mạch dao động có thể tạo ra dao động có dạng khác nhaunhư dao động hình sin ( dao động điều hòa ), tao xung chữ nhật,tạo xung tam giác, xung răng cưa hoặc từng xung riêng biệt.Trong phần này ta chỉ xét các mạch tạo dao động điều hòa, cácmạch tạo dao động xung được xét đến trong giáo trình “kỹthuật xung” Các mạch tạo dao động điều hòa có thể làm việctrong dải tần từ vài Hz đến hàng nghìn MHz Để tạo dao động cóthể dùng các phần tử tích cực như đèn điện tử, Transistor lưỡngcực, Fet, mạch khuếch đại thuật toán hoặc các phần tử đặc biệtnhư Điot Tunel, Điot Gunn

Các đèn điện tử được dùng khi yêu cầu công suất ra lớn.Mạch tạo dao động dùng đèn điện tử có thể làm việc từ phạm vitần số thấp sang phạm vi tần số rất cao

Ở tần số thấp và trung bình thường dùng mạch khuếch đạithuật toán để tạo dao động, còn ở tần số cao thì dùngTransistor lưỡng cực hoặc Fet hoặc các loại điot đặc biệt đã nêu

ở trên

Cần lưu ý răng, khi dùng mạch khuếch đại để tạo dao độngthi không cần dùng các mạch bù tần số, vì mạch bù tần số làmgiảm dải tần công tắc của bộ tạo dao động

Các tham số cơ bản của mạch tạo dao dộng gồm tần số ra,biên độ điện áp, độ ổn định tần số ( nằm trong khoảng 10-2 đến

10-6 ), công suất ra và hiệu suất Tùy thuộc vào mục đích sửdụng, khi thiết kế thiết kế có thể đặc biệt quan tâm đến mộtvài tham số nào đó hoặc hạ thấp yêu cầu đối với tham số khác,nghĩa là tùy thuộc yêu cầu sử dụng mà cân nhắc xác định cáctham số một cách hợp lí

Có thể tạo dao dộng điều hòa theo hai nguyên tắc cơ bản sauđây:

- Tạo dao động bằng hồi tiếp dương

- Tạo dao động bằng phương pháp tổng hợp mạch

K a

Để xét nguyên lý làm việc của mạch tạo dao động dúng sơ

đồ khối hình 1, trong đó (1) là khối khuyếch đại K=k e iφkφkk và (2) làkhối hồi tiếp có hệ số truyền đạt K ht=k ht e jφhtφkht Nếu đặt vào đầu vàotín hiệu X v và giả thiết K K ht=1 thì X ' r=K K ht X v

Hình 2.2.1 Sơ đồ khối mạch tạo dao động theo nguyên

tắc hồi tiếp.

Vậy tín hiệu vào của mạch khuếch đại Xv và tín hiệu ra củamạch hồi tiếp Xr bằng nhau cả về biên độ và pha nên có thể nốicác đầu a và a’ với nhau mà tín hiệu vẫn không thay đổi

Lúc này ta có sơ đồ của mạch tạo dao động làm việc theonguyên tắc hồi tiếp

Rõ ràng, trong sơ đồ này, chỉ có dao động mà tần số của

nó thỏa mãn điều kiện sau:

Vì K và Kht đều là những số phức, nên (1) có thể viết lại như sau:

K K ht=K K ht e jφht(φk k+φk ht) =1(2)

Trong đó: K – modun hệ số khuếch đại.

Kht – modun hệ số hồi tiếp

φk k – góc đi pha của bộ khuếch đại

φk ht – góc đi pha của bộ hồi tiếp

Có thể tách biểu thức (2) thành hai biểu thức, một biểuthức viết theo modun (3a) và một biểu thức viết theo pha (3b):

K.Kht = 1 (3a)

φk=φk k+φk ht=2 πnn với n = 0, ± 1,± 2 , … (3b)

φk – tổng dịch pha của bộ khuếch đại và của mạch hồi tiếp, biểuthị sự dịch pha giữa tín hiệu ra mạch hồi tiếp X’- và tín hiệu vàoban đầu Xv

Quan hệ (3a) được gọi là điều kiện cân bằng biên độ Nócho thấy: mạch chỉ có thể dao động khi hệ số khuếch đại của bộkhuếch đại có thể bù được sự tổn hao do mạch hồi tiếp gây ra.Còn điều kiện cân bằng pha (3b) cho thấy dao động chỉ có thểphát sinh khi tín hiệu hổi tiếp về đồng pha với tín hiệu vào

Để minh họa ta xét mạch tạo dao dộng trên hình sau:

Bộ khuếch đại dùng khuếch đại thuật toán mắc theo sơ đồthuận có hệ số khuếch đại:

Vì trở kháng ra của bộ khuếch đại nhỏ, nên trong mạchthêm điện trở R để giảm ảnh hưởng của trở kháng ra đến trởkháng của khung cộng hưởng LC.

Điện áp hồi tiếp về bộ khuếch đại:

u ht=M

L .u1 =K ht .u1( 4)

Trong đó: M - hệ số hỗ cảm của các cuộn dây

L – điện cảm của khung dao động

Điện áp ra bộ khuếch đại:

u r=u r 0 e−∝ tcos√ω02

−∝2t (9)

Ta phân biệt ba trường hợp:

1) ∝>0, nghĩa là K ht K¿ <1, biên độ điện áp ra suy giảm dần theohàm số mũ Dao động tắt dần.

2) ∝=0, nghĩa là K ht K¿

=1, điện áp ra là điện áp hình sin có tần số

ω0= 1

LC và biên độ không đổi

3) ∝<0, nghĩa là K ht K¿ >1, biên độ điện áp tăng theo hàm số mũ

Từ các trường hợp trên đây, ta có thể rút ra kết luận: để códao động thì khi mới đóng mạch K ht K❑

phải lớn hơn 1 làm chobiên độ dao động tăng dần cho đến khi bộ khuếch đại chuyểnsang làm việc ở trạng thái bão hòa, hệ số khuếch đại giảm dầnsao cho K ht K❑

=1 Lúc này có dao động ra, nhưng không phảihình sin Để có dao động điều hòa hình sin cần phải điều chỉnh

hệ số khuếch đại sao cho K ht K❑ =1 và xác lập tại đó trước khi bộkhuếch đại chuyển sang làm việc ở trạng thái bão hòa

Từ sự phân tích trên, ta rút ra các đặc điểm cơ bản sau đâycủa một mạch dao động:

- Mạch tạo dao động cũng là một mạch khuếch đại, nhưng

là mạch khuếch đại tự điều khiển bằng hồi tiếp dương từđầu ra và đầu vào Năng lượng tự dao động lấy từ nguồncung cấp một chiều

- Muốn có dao động, mạch phải có kết cấu thỏa mãn điềukiện cân bằng biên độ (3a) và cân bằng pha (3b)

- Mạch phải chứa ít nhất một phần tử tích cực làm nhiệm

vụ biến đổi năng lượng một chiều thành xoay chiều

- Mạch phải chứa một phần tử phi tuyến hay một khâuđiều chỉnh để đảm bảo cho biên độ dao động không đổi ởtrạng thái xác lập (K ht K❑

mạch phát sinh dao động ở tần số đó Ta nói mạch ở trạng tháiquá độ Ở trạng thái xác lập, biên độ không đổi ứng với K ht K❑ =1.

Để đảm bảo ổn định biện độ ở trạng thái xác lập, có thểthực hiện các biện pháp sau:

- Hạn chế biên độ điện áp bằng cách chọn trị số điện ápnguồn cung cấp một chiều thích hợp Biết răng biên độđiện áp xoay chiều cực đại trên đầu ra mạch khuếch đạiluôn luôn nhỏ hơn giá trị điện áp cung cấp một chiềucho phần tử khuếch đại đó

- Dịch chuyển điểm làm việc trên đặc tuyến phi tuyến củaphần tử tích cực nhờ thay đổi điện áp phân cực đặt lêncực điều khiển của phần tử khuếch đại

- Dùng mạch hồi tiếp phi tuyến hoặc dùng phần tử hiệuchỉnh, ví dụ điện trở nhiệt, điện trở thông của diot

- Tùy thuộc vào mạch liên cụ thể có thể áp dụng mộttrong những biện pháp trên Khi xét đến mạch cụ thể, ta

sẽ quan sát kỹ hơn vấn đề này

φk k (m , ω)+ φk ht (n , ω)=0(11)

Trong đó : m và n là đặc trưng cho tham số của các phần tửtrong mạch khuếch đại và trong mạch hồi tiếp

Vi phân toàn phần (11) và biến đổi, ta nhận được biểuthức:

+ Thực hiện các biện pháp nhằm giảm sự thay đổi tham số

dm của mạch khuếch đại đều ra tầng tạo dao động:

+ Thực hiện các biện pháp làm tăng tần số dao động Cụ thể

là sử dụng các phần tử có phẩm chất cao ( ví dụ dùng mạchcộng hưởng thạch anh) vìdω dφk|ω=ω0≈−2Q /ω0 và dùng phần tửtích cực có hệ số khuếch đại lớn

Thông thường, nếu không dùng các biện pháp ổn định đặcbiệt thì độ ổn định tần số ∆ f f

0 của các bộ tạo dao động điều hòa

có thể đạt được trong khoảng 10-2 10-3 Khi dùng các biệnpháp trên đây có thể tăng độ ổn định tới 10-4 hoặc cao hơn,trong trường hợp thạch anh có thể đạt được ∆ f f

0

≈ 10−6… 10−8

2.3 Mạch dao động ba điểm.

Hình 2.3.1 Sơ đồ khối mạch tạo dao động ba điểm.

Mạch tạo dao động ba điểm gồm hai khối chính: khối khuếch đại và khốihồi tiếp

Với ba điểm: Điểm (1) là điểm đầu ra, điểm (2) là điểm hồi tiếp, điểm (3) làđiểm nối đất

Khối khuếch đại có thể dùng transistor hoặc mạch khuếch đại thuật toán

có hệ số khuếch đại K và góc lệch pha giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào là φk k bằng

00 hoặc 1800

Khối hồi tiếp với hệ số hồi tiếp Kht và góc lệch pha φk ht giữa Uht và Ur củamạch hồi tiếp, khối này gồm ba phần tử điện kháng (L hoặc C), với ba phần tửnày có thể tạo góc pha bằng 00 hoặc 1800

Đối với mạch tạo dao động, để mạch mạch tạo được dao động thì phảithỏa mãn điều kiện hồi tiếp dương và điều kiện để mạch tạo dao động với biên

độ không đổi

+ Về điều kiện biên độ không đổi: |K|.|Kht| = 1

+ Điều kiện về hồi tiếp dương:

Z 2

Z 3

Bộ khuếch đại

1

2

3

Ur

CHƯƠNG III: MẠCH DAO ĐỘNG COLPITTS.

1 Khái niệm.

Mạch tạo dao động Colpitts là mạch tạo dao động ba điểm LC (mạch tạodao động ba điểm điện dung), muốn mạch tạo dao động phải thỏa mãn điều kiệncủa mạch dao động

Về điều kiện biên độ không đổi: |K|.|Kht| = 1

Điều kiện về hồi tiếp dương: {φk k+φk ht=0o hoặc 360 o

Ta có sơ đồ trong trường hợp này như sau:

Hình 3.2.1 Mạch tạo dao động ba điểm điện dung trong trường hợp mạch

khuếch đại có |K| > 1 và góc lệch pha 180 °.

Xét điều kiện để mạch tạo dao động:

Điều kiện hồi tiếp dương, có φk K = 1800 và φk ht = 1800 nên đảm bảo điềukiện hồi tiếp dương

Điều kiện về biên độ: |K|.|Kht| = 1

Uht

Uv

C 3

C 2

L1

Bộ khuếch đại

1

3

2 Ur

Hình 3.2.2 Sơ đồ mạch ba điểm điện dung mắc theo kiểu E chung.

Đối với trường hợp khác cũng tương tự

+ Trường hợp 2 khối khuếch đại |K| > 1, φk k= 00 Sơ đồ mắc theo kiểu Bchung hoặc mạch khuếch đại thuật toán thuận, đồng thời đổi vị trí (2) và (3) chonhau trong sơ đồ hình 3.2.1

+ Trường hợp 3 khối khuếch đại |K| < 1, φk k = 00 Sơ đồ mắc theo kiểu Cchung hoặc mạch khuếch đại thuật toán thuận, lúc này đổi vị trí (1) và vi trí (2)với nhau trong sơ đồ hình 3.2.1

3 Phương pháp tính toán mạch dao động.

Có nhiều phương pháp để tính toán mạch tạo dao động Ởđây ta chỉ xét phương pháp thông dụng nhất, đó là tính toánmạch dao động theo phương pháp bộ khuếch đại có hồi tiếp.Nội dung của phương pháp này xuất phát từ điều kiện cân bằngbiên độ (3a) Điều kiện cân bằng pha (3.b) không cần quan tâmđến, vì điều kiện này đã được kết cấu của mạch đảm nhiệm Khitính toán phải căn cứ vào mạch điện cụ thể để xác định hệ sốkhuếch đại K và hệ số hổi tiếp K ht rồi buộc tích của chúng bằng

1, từ đó suy ra các thông số cần thiết của mạch

*Để minh họa, ta lấy ví dụ sau:

Ví dụ: Tính điều kiện tự dao động của mạch ba điểm điệndung ( mạch Colpitt) dùng transistor trên hình sau:

Giải: Trước hết chấp nhận mạch ba điểm điện dung đã thỏa

mãn điều kiện cân bằng pha, ta tính điêu kiện cân bằng biên độcủa mạch:

+ Bước 1: Tính hệ số khuếch đại K:

Hệ số khuếch đại của mạch emito chung

K ≈−S Z c=−h21

h11 Z c

Trong mạch điện trên, trở kháng giữa colecto và đất Z c làmột phần trở kháng của khung cộng hưởng, nó được xác địnhnhư sau:

L - điện cảm của khung cộng hưởng

C - điện dung của khung cộng hưởng

r - điện trở tổn hao của khung cộng hưởng

- Z vpa là trở kháng vào phản ảnh sang nhánh emito, nếu giả thiết R1/ ¿R2≫ h11 ta có:

Thay (14), (15) và (17) vào (13) xác định được: